CN115635485A - 一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复机器人技术领域，具体地说，涉及一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，建立笛卡尔坐标系；基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；获取所述移动机器人的目标轨迹；基于所述动力学模型和所述目标轨迹获取所述移动机器人的力控制率；本申请能够在移动机器人带动患侧手进行移动的过程中，和外部环境进行实时的信息交互，满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，并知晓患者手臂的运动状态，从而能够根据患者的运动意图控制移动机器人运动，能够有效保证对痉挛状态下安全性的要求。

Description

一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，具体地说，涉及一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法。

背景技术

传统的移动机器人均采用被动运动的方式，无法和环境进行实时的力感知与交互，无法满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，无法知晓患者手臂的运动状态，无法根据患者的运动意图控制机器人运动，无法保障对痉挛状态安全性要求，故无法直接应用于康复领域。

基于以上，本申请提出一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，实现了实时的人机力交互功能，从而达到康复训练的目的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，包括，基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛卡尔坐标系；

基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；

基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；

基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；

获取所述移动机器人的目标轨迹；

基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动。

作为优选，执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，

获取所述移动机器人的位置x_b＝[X_b，Y_b，θ]；

基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为

执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，

获取所述轮子的速度分别为ω_i，所述轮子的半径为r；

获取所述移动机器人的宽度为2L₁、长度为2L₂；

处理得到所述移动机器人的速度有如下所述运动学关系：

其中，i为所述轮子编号，从1到4，所述轮子的角度依次为-45°、45°、45°、-45°。

作为优选，执行基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力时，具体包括，

获取所述轮子的控制电流为i_i；

获取用于驱动所述轮子的电机的电机常数k_t；

获取所述电机的减速比k；

处理得到所述轮子的驱动力f_i＝k×k_t×i_i；所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力分别为F_x，F_y，T；

其中，

作为优选，获取所述移动机器人的质量m，转动惯量J；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的库伦摩擦分别为F_Cxi，F_Cyi，T_Ci；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的粘滞摩擦分别为F_Bxi，F_Byi，T_Bi；

其中，所述动力学模型如下：

作为优选，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

获取由训练处方生成的轨迹x_1traj；

获取所述移动机器人的位置偏移量Δx；

其中，所述移动机器人的所述目标轨迹x_1d＝x_1traj+Δx。

作为优选，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

于所述移动机器人处提供一具有力传感器的握柄；

定义所述移动机器人的惯性、阻尼和刚度分别为M₁，B₁和K₁；

获取所述力传感器的读数F、所述移动机器人的实际位置x₁；

所述移动机器人的位置偏移量Δx具有如下关系式：

其中，Δx由

进行两次积分得到。

作为优选，执行基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动时，具体包括，

基于所述动力学模型和所述目标轨迹通过所述李雅普诺夫稳定性原理设计得到所述力控制率

其中，x₁为所述移动机器人的实际速度，e₁＝x₁-x_1d，e₂＝x₂-x_2d，

M＝diag(m,m,J)，

C_i为轮子的库伦摩擦系数，B_i为轮子的粘滞摩擦系数。

本发明至少具备以下有益效果：

本申请能够在移动机器人带动患侧手进行移动的过程中，和外部环境进行实时的信息交互，满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，并知晓患者手臂的运动状态，从而能够根据患者的运动意图控制移动机器人运动，能够有效保证对痉挛状态下安全性的要求。

附图说明

图1为本申请的实时人机交互力控制方法的流程图；

图2为本申请中移动机器人于笛卡尔坐标系下的示意图。

附图中各数字标号所指代的部位名称如下：

110、第一从动轮；120、第二从动轮；130、第一主动轮；140、第二主动轮。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

如图1-2所示，本实施例提供了一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其包括基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛卡尔坐标系；

基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；

基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；

基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；

获取所述移动机器人的目标轨迹；

基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动。

本实施例中，提供具有四个轮子的移动机器人为例，移动机器人放置于桌面上，通过移动机器人在桌面上移动实现带动患侧手的运动；

通过本实施例中实时人机交互力控制方法，其能够在移动机器人带动患侧手进行移动的过程中，和外部环境进行实时的信息交互，满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，并知晓患者手臂的运动状态，从而能够根据患者的运动意图控制移动机器人运动，能够有效保证对痉挛状态下安全性的要求。

本实施例中，执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，

获取所述移动机器人的位置x_b＝[X_b，Y_b，θ]；

基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为

本实施例中，定义移动机器人在笛卡尔坐标系下的位置为x_b＝[X_b，Y_b，θ]，则移动机器人的速度

为移动机器人的位置x_b的导数，则求得移动机器人的速度

结合图2所示，执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，

获取所述轮子的速度分别为ω_i，所述轮子的半径为r；

获取所述移动机器人的宽度为2L₁、长度为2L₂；

处理得到所述移动机器人的速度有如下所述运动学关系：

其中，i为所述轮子编号，从1到4，所述轮子的角度依次为-45°、45°、45°、-45°。

本实施例中，移动机器人的轮子包括第一从动轮110、第二从动轮120、第一主动轮130和第二主动轮140，第一从动轮110和第二从动轮120的角度依次是-45°和45°，第一主动轮130和第二主动轮140的角度依次是45°和-45°。

本实施例中，执行基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力时，具体包括，

获取所述轮子的控制电流为i_i；

获取用于驱动所述轮子的电机的电机常数k_t；

获取所述电机的减速比k；

处理得到所述轮子的驱动力f_i＝k×k_t×i_i；所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力分别为F_x，F_y，T；

其中，

本实施例中，用于驱动移动机器人的四个轮子的电机的电机常数k_t均相同，且每个电机的减速比k也相同。

本实施例中，获取所述移动机器人的质量m，转动惯量J；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的库伦摩擦分别为F_Cxi，F_Cyi，T_Ci；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的粘滞摩擦分别为F_Bxi，F_Byi，T_Bi；

其中，所述动力学模型如下：

本实施例中，每个轮子在笛卡尔方向上的摩擦力，按照库伦摩擦和粘滞摩擦分别为F_Bxi，F_Cxi，F_Byi，F_Cyi，T_Bi，T_Ci。

库伦摩擦形如F_Ci＝C_i×sign(v)，C_i为每个轮子的库伦摩擦系数；粘滞摩擦形如F_Bi＝B_i×v，B_i为每个轮子的粘滞摩擦系数。

本实施例中，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

获取由训练处方生成的轨迹x_1traj；

获取所述移动机器人的位置偏移量Δx；

其中，所述移动机器人的所述目标轨迹x_1d＝x_1traj+Δx。

本实施例中，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

于所述移动机器人处提供一具有力传感器的握柄；

定义所述移动机器人的惯性、阻尼和刚度分别为M₁，B₁和K₁；

获取所述力传感器的读数F、所述移动机器人的实际位置x₁；

所述移动机器人的位置偏移量Δx具有如下关系式：

其中，Δx由

进行两次积分得到。

本实施例中，执行基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动时，具体包括，

基于所述动力学模型和所述目标轨迹通过所述李雅普诺夫稳定性原理设计得到所述力控制率

其中，x₁为所述移动机器人的实际速度，e₁＝x₁-x_1d，e₂＝x₂-x_2d，

M＝diag(m,m,J)，

C_i为轮子的库伦摩擦系数，B_i为轮子的粘滞摩擦系数。

本实施例中，根据导纳控制的思想，定义虚拟的惯性，阻尼和刚度参数分别为M₁，B₁和K₁。通过调整这三个参数，可以使患者与移动机器人的接触过程呈现一个二阶弹簧的特性，保证患者不会被移动机器人拉伤。

假设力传感器的读数为F，为了实现患者握住握柄后跟随移动机器人一起移动，所以设定期望的接触力为0；移动机器人的实际位置x₁，由外力导纳系统引入的移动机器人的位置偏移量为Δx，则

即

其中，Δx由

进行两次积分得到。

此时，移动机器人的目标轨迹x_1d＝x_1traj+Δx，其中，目标速度和目标加速度均可以由此获取。

本实施例中，将动力学模型写成通用格式，即以v作为移动机器人的笛卡尔速度，以i作为各个轮子的输入电流，则通用格式为

其中，M＝diag(m,m,J)，

移动机器人在桌面上移动的过程中，轮子与桌面的摩擦力为整个系统的主要不确定项；本申请的实时人机交互力控制方法需要保证这些摩擦力系数不是很准确，或者随着时间发生变化时，控制仍然保持稳定；另外，结合移动康复机器人的康复功能，移动机器人需要引导患者进行一些运动，结合这个特点，本申请的实时人机交互力控制方法对移动机器人的位置的跟踪性能不会要求很高，对稳定性的要求会很高，从而设计如下的控制策略：

将上述通用格式改写成状态空间形式，x₁为笛卡尔位置，x₂为笛卡尔速度，控制变量u为各个轮子的电流i则：

令e₁＝x₁-x_1d，令e₂＝x₂-x_2d，根据李雅普诺夫稳定性分析原理，设计移动机器人的力控制率

也即

其中，x_1d为移动机器人的目标轨迹，

为目标加速度，

为目标速度；k₁和k₂为本申请的实时人机交互力控制方法需要调整的参数，只需要保证为正值，系统渐进稳定。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛卡尔坐标系；

基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；

基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；

基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；

获取所述移动机器人的目标轨迹；

基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动。

2.根据权利要求1所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，

获取所述移动机器人的位置x_b＝[X_b，Y_b，θ]；

基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为

获取所述轮子的速度分别为ω_i，所述轮子的半径为r；

获取所述移动机器人的宽度为2L₁、长度为2L₂；

处理得到所述移动机器人的速度有如下所述运动学关系：

其中，i为所述轮子编号，从1到4，所述轮子的角度依次为-45°、45°、45°、-45°。

3.根据权利要求2所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力时，具体包括，

获取所述轮子的控制电流为i_i；

获取用于驱动所述轮子的电机的电机常数k_t；

获取所述电机的减速比k；

处理得到所述轮子的驱动力f_i＝k×k_t×i_i；所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力分别为F_x，F_y，T；

其中，

4.根据权利要求3所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：

获取所述移动机器人的质量m，转动惯量J；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的库伦摩擦分别为F_Cxi，F_Cyi，T_Ci；

获取所述轮子在笛卡尔方向上的粘滞摩擦分别为F_Bxi，F_Byi，T_Bi；

其中，所述动力学模型如下：

5.根据权利要求4所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

获取由训练处方生成的轨迹x_1traj；

获取所述移动机器人的位置偏移量Δx；

其中，所述移动机器人的所述目标轨迹x_1d＝x_1traj+Δx。

6.根据权利要求5所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，

于所述移动机器人处提供一具有力传感器的握柄；

定义所述移动机器人的惯性、阻尼和刚度分别为M₁，B₁和K₁；

获取所述力传感器的读数F、所述移动机器人的实际位置x₁；

所述移动机器人的位置偏移量Δx具有如下关系式：

其中，Δx由

进行两次积分得到。

7.根据权利要求6所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动时，具体包括，

基于所述动力学模型和所述目标轨迹通过所述李雅普诺夫稳定性原理设计得到所述力控制率

其中，x₁为所述移动机器人的实际速度，e₁＝x₁-x_1d，e₂＝x₂-x_2d，

M＝diag(m,m,J)，

C_i为轮子的库伦摩擦系数，B_i为轮子的粘滞摩擦系数。

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